關于秸稈和畜禽養殖廢棄物綜合利用模式和技術創新的思考

鄭曉凡周成李孝良夏金林李飛躍華金玲汪建飛

(1.安徽科技學院，安徽 鳳陽 233100；2.安徽盛農農業集團有限公司，安徽 當涂 243100；3.農業農村部生物有機肥創制重點實驗室，安徽 蚌埠 233400)

我國作為農業生產大國，每年有大量的農業廢棄物產生，農業廢棄物的處理需求極大。據估算，全國每年產生畜禽糞污近40億t，綜合利用率不到70%；每年產生秸稈近10億t，約有2億t沒有被利用。這些沒有經過無害化處理的農業廢棄物如果亂堆亂放、隨意填埋或焚燒，不僅會造成資源大量浪費，而且也會嚴重影響城鄉生態環境和人民群眾的生活工作[1]。我國耕地由于缺少有機肥補充而質量退化的面積占耕地面積的40%以上，嚴重威脅國家糧食安全。目前，國家為推動農業廢棄物資源的高效利用，相繼出臺了多部規劃和指導意見，同時也在政策和財政方面加大了支持力度。農業廢棄物綜合利用率已成為構建我國鄉村振興評價指標體系的主要指標之一。

當前，安徽省在進行農業生產的過程中所產生的量大面廣的廢棄物以秸稈和畜禽養殖廢棄物為主，解決了這2類廢棄物的資源化利用(通常也簡稱“兩利用”)問題，就相當于牽住了農業廢棄物資源化利用的“牛鼻子”。為此，本文從不同的角度分析總結了“兩利用”的技術模式，重點介紹了當前農業生產過程中主推的技術，并結合安徽省的實際情況，針對性地提出了未來“兩利用”產業發展需要重點突破的關鍵技術領域。

1 秸稈和畜禽養殖廢棄物綜合利用模式解析

1.1 秸稈和畜禽養殖廢棄物肥料化利用模式

眾所周知，無論是秸稈，還是畜禽糞污，其最初源頭均來自農田，所以最理想的“歸宿”也是農田。我國勞動人民在長期實踐中也逐步形成了一套較為完善的秸稈和畜禽糞污肥料化利用的技術體系。1840年，植物營養學奠基人李比希在其發表的著名論文《化學在農業和生理學上的應用》中，就深刻地剖析了其中蘊含的植物礦質營養原理[2]。

圖1 秸稈和畜禽養殖廢棄物肥料化利用模式

從農業生產的角度，結合當前安徽省農業科技推廣應用實際，在傳統模式中添加了食用菌、生物炭2個元素，有效延伸了農業廢棄物資源化利用的鏈條，顯著提高了產品附加值，吸引了更多的企業參與其中，促進了“兩利用”產業的發展。

1.2 秸稈和畜禽養殖廢棄物全量資源化利用模式

功能性農業微生物是秸稈和畜禽養殖廢棄物資源化利用的“靈魂”。離開了微生物的作用，農業廢棄物的處理處置都將受到極大制約，更談不上全量資源化利用。然而，由于條件所限，再加上多數微生物利用技術還不成熟，農業微生物在秸稈和畜禽養殖廢棄物綜合利用方面還有很大的提升空間。據報道，2017年全球農用微生物制劑的銷售額約為30.9億美元，預計2022年將達到60.1億美元，復合年增長率為14.21%[3]。其中，約35%的菌劑品種與農業廢棄物資源化利用相關，市場潛力巨大。

為此，本文從農業微生物的角度，構建了秸稈和畜禽養殖廢棄物全量資源化利用技術創新模式，見圖2。不難看出，功能性微生物在農業廢棄物的循環利用中處于核心位置。只有掌握了農業廢棄物循環利用過程中全環節的微生物工程技術，才有可能做到真正意義上的種養廢棄物全量資源化利用，才有可能實現“兩利用”產業的高質量發展。

圖2 以功能性微生物為核心的農業廢棄物資源化利用技術創新模式

1.3 秸稈和畜禽養殖廢棄物綜合利用產業鏈集成模式

按照不同的來源，農業廢棄物被劃分為3大類。農作物秸稈、蔬菜尾菜、果樹枝條、果皮果殼、雜草、落葉等，也稱為第一性生產廢棄物；畜禽排泄物和欄圈墊料等，也稱為第二性生產廢棄物；農副產品加工后的剩余物[4]。這些廢棄物卻是“兩利用”產業不可或缺的原料。換言之，種植業、養殖業、農副產品加工業構成了“兩利用”這個中樞產業的源頭產業，將農業廢棄物進行轉化實現再利用可以有效緩解農業資源約束問題。以功能性微生物為核心，分化出有機肥料、飼料、生物炭、土壤調理劑、食用菌、生物天然氣等眾多主導產業。在此基礎上，進一步衍生出數量更多的下游延伸產業。從而形成了以功能性微生物為核心，將源頭產業、中樞產業和延伸產業連接于一體的農業廢棄物資源化利用產業集群創新模式，實現了整個農業產業鏈條從生產源頭到終端服務的延伸，有效帶動了三產融合發展。在減少環境污染、促進資源高效循環利用的同時，推動了鄉村產業發展，帶動了農業剩余勞動力就業，增加了農民收入。

圖3 農業廢棄物資源化利用全產業鏈創新集成模式

2 秸稈和畜禽養殖廢棄物綜合利用關鍵技術應用示范

2.1 生物有機肥制造與施用技術

相對于普通商品有機肥，生物有機肥屬于“高端”產品。在秸稈與畜禽糞污肥料化利用模式中，發揮著獨特而重要的作用[5]。近年來，人們在生產中發現并逐漸意識到，健康的土壤微生物區系對于農作物高產優質具有基礎的保障性作用，生物有機肥也因此成為肥料市場的“新寵”，尤其是受到了蔬菜水果等經濟作物種植戶的青睞。

瞄準這一市場需求，自2013年開始，農業農村部生物有機肥重點創制實驗室利用自身的技術、人才優勢，與安徽省內多家有機肥生產企業合作，就地就近取材，共同研發生物有機肥。在全省多年、多地田間實驗表明，施用生物有機肥可以改良和培肥土壤，提升農作物的產量與品質。更重要的是，較好地消納了畜禽糞污和農作物秸稈，減少了化肥用量，對區域農業綠色發展發揮了有效的支撐作用。以安徽萊姆佳肥業有限公司生產解磷生物有機肥為例，5a共生產有機肥41.85萬t，新增銷售收入約6.4億元，新增利潤3255.6萬元。

2.2 秸稈和畜禽糞污無害化處理生產食用菌技術

食用菌一般指蘑菇，通常是真菌中能產生較大的子實體或菌核類組織并可提供食用的種類。利用農作物秸稈、畜禽糞便生產食用菌，就是把大量的農業廢料或對農產品進行加工時產生的下腳料作為食用菌生產的原材料，變廢為寶[6]。其基本原理：在適宜的環境下，食用菌的菌絲通過其分泌的超纖維氧化酶將秸稈表面的蠟質進行溶解，然后菌絲進入秸稈內部合成并分泌纖維素酶、半纖維素酶、內切聚糖酶、外切聚糖酶等酶。對降解木質素起關鍵作用的酶有2種：木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶，其在活性氧的作用下，特別是在過氧化氫參與下，能夠激發一系列自由基鏈反應，使木質素發生氧化。這些酶的聯合作用能夠將木質素分解為可溶性的小分子木質素殘片。在這個過程中，食用菌得以生長。

利用麥秸和新鮮雞糞生產雙孢菇，是一項在單一生產過程中，將秸稈和糞便2類不同的廢棄物同時加以利用的最經典的資源化利用技術。以安徽眾興菌興為代表的一些食用菌生產企業，充分利用安徽省沿淮淮北較為豐富的麥秸和雞糞資源生產優質雙孢菇。以日產60t鮮菇企業為例，每年大約可以利用小麥秸稈4萬t，新鮮雞糞3萬t；采收雙孢菇之后菌渣通過處理加工，可制成6萬t左右有機肥料。整個生產過程從源頭到末端可以直接帶動近千人就業，社會經濟效益顯著。更為重要的是，解決了小麥秸稈和雞糞的出路問題。可以說，雙孢菇生產過程真正實現了農業廢棄物全量資源化循環利用。

2.3 生物炭農用技術

生物炭是農作物秸稈和畜禽糞污等生物質殘體在限氧(缺氧或是無氧)條件下，經高溫慢熱解產生的富含碳素的固態物質。由秸稈炭化制成的生物炭施入農田，可以釋放一定量的氮磷鉀速效養分，滿足植物生長需要。更為重要的是，生物炭有著較大的孔隙度和比表面積，具有較強的吸附、抗氧化和抗生物分解等特性，可有效改善土壤結構和理化性質[7]。施用生物炭，可以顯著提高土壤吸附性能，降低養分損失，提高化肥利用率。研究發現，以稻殼生物炭為材料，當添加量在5～30t·hm-2，隨著生物炭施用量的增加，玉米產量逐漸提高，增產范圍在6.73%～31.41%[8]。與對照相比，氮肥利用率、土壤全氮量和有機肥含量增幅分別為28.50%～85.15%、21.31%～56.56%和0.54%～69.26%[8]。

生物碳具有吸附重金屬的性能，將其用作土壤改良劑，可以對農田中的重金屬進行鈍化處理，起到土壤修復作用[9]。近年來，在南方酸性水稻土地區，人們施用生物炭加工的肥料或改良劑，顯著提升了土壤對重金屬的阻控性能，降低了水稻對鎘的吸收富集，提升了農產品的食品安全質量。此外，生物炭自身含碳量高，施用含生物炭類投入品，能夠將大氣中的二氧化碳源源不斷的固定并封存在土壤中，是一種高效的碳匯方法[10]。值得關注的是，研究人員還發現，稻田施用生物炭，可以顯著減少N2O排放[11]。

2020年秸稈炭基肥利用增效技術被推介為農業農村部10大引領技術。炭基肥、炭基有機肥等相關標準陸續推出[12]。炭基有機肥生產與施用已成為助力碳達峰、碳中和的一項重要技術舉措。

2.4 基于種養結合的發酵床養豬墊料循環利用技術

利用木屑、粉碎的作物秸稈、稻殼等廢棄物鋪設在特殊設計的豬舍內，并接種多種有益微生物，將生豬放在這種墊料上飼養，就是通常所說的發酵床養豬法。發酵床養豬技術擁有改善豬舍衛生環境、不用人工清糞和大量水沖圈舍、實現污染零排放、提高飼料轉化率節省飼料等諸多優點。而老化、廢棄的發酵床墊料能否循環利用則是一個新問題[13]。

近年來，因為企業生產需求，省內一些專家團隊開展了發酵床老化墊料循環利用技術探索。在安徽盛農農業集團有限公司，成功開發出以發酵床墊料為主要原材料的育秧基質。這項技術的應用，不僅解決了養豬場墊料清理難題，每年還直接為企業節省了30萬元購買育秧基質的經費開支。目前，這項技術推廣到了全省5家養殖企業，深受歡迎。尤為重要的是，企業與高等院校、科研院所，以生產需求為導向，以省重大科技專項為紐帶，建立了緊密而穩固的產學研合作關系，雙方優勢互補，互利共贏，有效地推動了科技成果轉化和行業科技進步。

3 未來需要重點加強的“兩利用”技術措施

3.1 提升秸稈農用技術，提高秸稈農用技術到位率

使用由秸稈轉化而來的肥料和飼料能夠有效增加土壤有機質含量，促進循環農業的發展。要根據不同的耕作制度，制定不同的秸稈還田標準，推進秸稈機械化還田、生物腐熟還田、養畜過腹還田；促進種養結合，進一步提高肥料化、飼料化綜合利用率。同時也要注重發揮集體力量，協同解決秸稈能源化、基料化利用企業生產中存在的突出問題。

針對秸稈綜合利用中存在的資源產出效率低、產業鏈短、產業布局不合理等問題，在總結成功經驗的基礎上，強化高附加值產品及其精深加工技術研發，如利用秸稈發酵生產聚乳酸，用聚乳酸加工成全降解無污染餐盤，或是用來制成天然親膚并具有抑菌抗螨蟲效果的衣服。從而達到延伸產業鏈條，形成產業集聚的目的，推動安徽省秸稈綜合利用產業的高質量發展。

3.2 加強種養有效銜接技術研究，助推畜禽糞污全量化利用

針對當前普遍存在的種養分離、不匹配問題，明確以農用有機肥和農村能源為主要利用方向，加強接地氣的實用技術熟化、集成和推廣，利用微生物制劑減輕糞便惡臭氣味，加快促進糞便發酵，使用先進的糞便快速發酵裝置和糞肥農田施用設備等技術與產品，明確糞污還田利用適用標準，推動建立市場化機制，暢通糞污還田渠道，切實提高畜禽養殖糞污資源化利用水平。

鞏固秸稈綜合利用試點、畜禽養殖廢棄物綜合利用整縣推進、果菜茶有機肥替代化肥試點工作成果，抓住當前農業農村部正在大力推進的綠色種養循環農業試點工作的大好機遇，為企業或第三方服務組織集中收集處理周邊畜禽糞污、建立專業化肥料處理利用中心提供技術支撐。在創新方面要進一步強化各部門之間的合作意識，利用試驗示范將技術成果輻射到周邊地區，擴大技術的推廣范圍，實現由點帶面的突破，促進畜禽養殖廢棄物的“能源化、肥料化”利用和畜牧業的綠色發展。

3.3 發力功能性微生物研發，擴大農用微生物制劑產能

功能性微生物菌劑在“雙利用”產業發展中處于核心位置。目前，安徽省在農業功能性微生物研發水平不高、農業微生物制劑產能很小的現狀，顯然與糧食大省、畜牧大省的地位不相匹配。必須要通過自主研發和引進，加強各種功能性微生物制劑的研發。保守估算，安徽省每年生產生物有機肥需要的功能微生物菌種發酵液約10萬t，按3000元·t-1價格計算，則銷售額達3億元。再加上秸稈腐熟劑、高溫堆肥菌劑、除臭劑、飼料生物添加劑等，市場潛力巨大。

3.4 優選“兩利用”機械裝備，提升產業智能化水平

當前，安徽省正在深入實施科技強農、機械強農、促進農民增收“兩強一增”行動。“兩利用”產業要搶抓這一大好機遇，在總結現有經驗基礎上，優選或自主研發秸稈收儲加工機械裝備，加快畜禽糞污全量收集技術與裝備，糞污高效輸送、施用技術與裝備的研發及推廣進程，致力于解決糞污資源化利用過程中存在的技術和成本壁壘。走種養結合的道路，引導養殖企業加強基礎設施投入，建設相對完善的規模養殖場糞污處理、畜禽糞污集中處理、農用有機肥生產、沼液儲運等配套設施，打通糞污肥料化、能源化利用通道。

強化大數據、人工智能、移動互聯網、云計算技術在“兩利用”產業中的應用，切實提升產業智能化水平。

2017年以來，安徽省已成功舉辦了5屆秸稈暨畜禽養殖廢棄物綜合利用產業博覽會，極大地提升了安徽省“兩利用”技術水準，為相關產業發展源源不斷地注入新動力。2020年，安徽省秸稈和畜禽糞污綜合利用率分別達到90%、80%以上，比全國平均水平高出5個百分點以上。毫無疑問，在較高的利用率基礎上，秸稈和養殖廢棄物綜合利用產業發展空間更小、難度更大。2021年，安徽省農業農村廳又主導組建了全國首個省級秸稈和畜禽養殖廢棄物綜合利用產業技術體系，旨在集聚全省專業技術人才，圍繞農業廢棄物資源化利用產業化發展的目標，創新產業發展過程中的關鍵核心技術，消除關鍵環節無體系支撐的“盲點”、彌補產業條塊分割的“縫隙”，實現農業廢棄物資源化利用領域的優勢特色產業和產業鏈中關鍵環節的科技支撐全覆蓋、無死角，催生一批新技術、新產品、新裝備、新模式，并將其運用到“兩利用”產業布局中，延伸產業鏈條、形成產業集聚，進而為安徽省構建“兩利用”領域高質量發展的新格局提供基礎支撐。